книги / Тепловые процессы в технологических системах

с этим оценку значений а в конкретных условиях следует делать

на основании тех или иных предположений.

Регулирование тепловых процессов при шлифовании путем использования смазочных и охлаждающих свойств GOTC техни­ чески осуществляется различными способами, описание которых приведено в литературе [32].

Вопросы для самопроверки к п. 5.5

1. Какие главные цели преследуют при управлении тепловыми процессами при шлифование?

2.Перечислите основные способы уменьшения мощности тепловыделения при шлифовании.

3.Как учитывается в теплофизнческих расчетах совместное действие абра­

зивных зерен и электрического тока, вводимого в технологическую подсистему?

4.В чем преимущества и недостатки процесса шлифования инструментами

спрерывистой рабочей поверхностью?

5.Какое воздействие оказывают технологические среды на процесс тепло­

обмена при шлифовании? В чем проявляется различие между воздействием СОТС на масляной и на водной основах?

Задачи к п. 5.5

70. Рассчитать длины выступов и впадин круга диаметром 250 мм с преры­ вистой рабочей поверхностью при плоском шлифовании заготовки из жаропроч­ ного сплава ХИ77ТЮР, если необходимо понизить температуру на контактной

вания, если шлифование проводить с охлаждающей жидкостью На водной основе, имеющей сравнительно низкие смазочные свойства.

Алгоритм расчета и комментарии к нему:

а) поскольку смазывающие свойства жидкости невелики, принять, что общая мощность тепловыделения на поверхности контакта W = 1362 Вт не ме­ няется, температура собственно резания 0р = 924 °С сохраняется, а снижение температуры шлифования 0 = 0р + 0ср происходит за счет изменения второго слагаемого формулы (5.67);

б) пользуясь данными, приведенными в задаче 69, структурной схемой тепло­ обмена, показанной на рис. 5.46, и алгоритмом (см. рис. 5.2), рассчитать значе­ ния коэффициентов А±—А4 (Ai — 1,02-10“5; А2 = Аа = 1,9* 10“6; А4 = 1,39Х Х10“6);

в) по формуле (1.54) рассчитать плотность теплообразующего потока д0 (q0 » « 2,77* 107 Вт/м2);

г) оценить ориентировочно значение коэффициента теплоотдачи от нагретой поверхности заготовки в жидкость, содержащуюся в межзерновом пространстве,

[Примем, что слой жидкости в межзерновом пространстве за время контакта х нагревается до температуры 0ОХЛ. ср. Тогда он отбирает от поверхности кон­

вания при охлаждении зоны резания жидкостью на водной основе (0О1л = 924 + + 45 = 969 °С);

ж) оценить снижение температуры, вызванное применением СОТС. Ответ: Снижение температуры шлифования примерно на 7 % .

5.6. ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

-- Поверхностное пластическое деформирование (ППД) без снятия стружки все шире применяют в машиностроении ввиду эффективности этого процесса и высокого качества обработанных деталей. Немаловажным фактором, влияющим на качество поверх­ ностного слоя изделий, точность их размеров и работоспособность инструмента, является температура в зоне контакта между заготов­ кой и инструментом.

С точки зрения теплофизического анализа (не касаясь техноло­ гии формообразования сложных поверхностей) при ППД пред­ ставляют интерес три типичные задачи, целью которых является расчет тепловых потоков и температур. Первая из них осесиммет­ ричная, когда теплота возникает под воздействием источников, имеющих форму замкнутой линии, чаще всего в виде окружности. Мы же рассматривали дорнование отверстий (см. рис. 1.1), которое является примером задач первого типа. Второй тип задач возникает при рассмотрении процессов ППД, в которых источник той или иной формы перемещается по любой поверхности заготовки в любом направлении. Это обкатка, алмазное выглаживание (см. рис. 2.23; 4.12; 5.13) и аналогичные им операции. Задачи третьего типа возникают, если необходимо описать теплообмен при дробе­ струйном упрочнении, обработке механическими щетками и других операциях, в ходе которых возникает большое количество локаль­ ных источников теплоты, оказывающих краткосрочное воздействие на поверхность заготовки.

Во всех операциях ППД, как и при других видах обработки, теплота выделяется в определенном объеме. Поэтому, в принципе, при схематизации процесса следует источники тепловыделения здесь считать трехмерными. Однако не исключена возможность расчетов, где в основу схематизации положено допущение, что источники, действующие в зоне контакта инструмента с заготовкой, относятся к двумерным, поскольку законы распределения плот­ ности тепловых потоков по объему на отдельных участках зоны ППД изучены еще недостаточно.

Составляя структурные схемы теплообмена для процессов ППД, руководствуются общими принципами, изложенными—в.

Рис. 5.47. Процесс поверхностного пластического деформирования (а) и струк­ турная схема теплообмена (б):

1 — нндентор; 2 — заготовка; 1% и /* — длина контактных площадок на передней н зад­ ней поверхностях индентора

■IK-5 4 . При этом следует иметь в виду, что на поверхности контакта

между движущимся индентором и заготовкой, как правило, могут быть выделены два участка, аналогичные площадкам контакта на передней и задней поверхностях лезвийного инструмента. Рас­ смотрим, например, работу зуба калибрующей протяжки, дорна или выглаживателя, перемещающихся вдоль поверхности заготов­ ки (рис. 5.47).* Пусть, как это часто встречается на практике, рабочая поверхность инструмента имеет форму дуги окружности радиусом г. Разделим всю дугу контакта LOS на два участка. Участок 0 L прилегает к области, в которой осуществляется основ­

ная работа по поверхностному пластическому деформированию металла, этот участок аналогичен передней поверхности лезвий­ ного инструмента. На втором участке 05 происходит взаимодей­ ствие индентора с упруго восстанавливающимся слоем материала заготовки.

Пластическое и упругое деформирование материала происходят в некотором объеме MLOSPM. При движении заготовки со ско­ ростью v основному пластическому деформированию подвергается объем MLOPMy прилежащий к передней поверхности инструмен­

та. Здесь же возникают и упругие деформации, происходящие вблизи поверхности МР. Что же касается части объема материала,

прилежащей к задней поверхности инструмента, то здесь в основ­ ном происходит упругое, а в меньшей мере пластическое деформи­ рование поверхностного слоя заготовки. На каждом из участков 0L и 0 5 существует трение между поверхностью инструмента и

заготовкой.

Суммарная мощность источников тепловыделения описывается

MLOPSM представить тепловыделение в виде двумерных источни­ ков Jt и / 2, расположенных на передней и задней поверхностях

инструмента. Распределение плотности этих источников часто считают нормальным несимметричным. Что касается распределе­ ния Плотности итоговых потоков У3 и / 4, то оно может быть при­ нято несимметричным нормальным или равномерным.

На первый взгляд кажется, что в точке О значения плотности тепловых потоков у01 и у02 должны быть одинаковыми. Однако это не так. Одно и то же значение должна иметь температура этой точки, с какой стороны мы бы к ней ни подходили (со стороны передней или со стороны задней поверхности индентора). Общим должен быть тепловой поток, направленный в сторону, обратную градиенту температур в точке О суммарного температурного поля, возникающего под действием всех источников и стоков теплоты. Тепловые же потоки на разных участках контактной площадки инструмента при разделении в целях анализа общей тепловой мощности на отдельные источники J1 и J2 могут иметь различную

плотность.

На рис. 5.47, б приведена структурная схема теплообмена при

ППД без охлаждающей жидкости. При необходимости учесть влияние охлаждающей среды в структурную схему следует ввести дополнительные стоки теплоты. Разработав структурную схему теплообмена, далее расчет плотности пртоков и температур при ППД выполняют по общей методике, и-зложенно й в-п.~5:Т. Резуль­ таты этих расчетов могут быть применены для решения практи­ ческих задач. Остановимся на некоторых из них.

Термические деформации инструмента. На примере процесса ППД рассмотрим вопрос о расчете погрешностей обработки, возни­ кающих как результат термического деформирования инструмента в технологической системе. При чистовой обработке деталей откло­ нения, вызванные тепловыми процессамг, могут оказаться замет­ ными или даже доминирующими среди многообразных технологи­ ческих погрешностей.

Пусть какое-либо твердое тело имеет в начальный момент времени во всех точках одну и ту же начальную температуру 0О, принимаемую за условный нуль. По прошествии времени т под воздействием тепловых процессов в этом теле возникло температур­ ное поле, описываемое функцией 0 (х, у, z, т). Изменение формы тела, связанное с нагревом до температуры 0 (х, у, z, т), является результатом воздействия двух факторов: изменения размеров по закону линейного расширения; изменения размеров под влиянием термоупругих напряжений, вызванных неравномерным нагревом материала в различных точках тела. Таким образом, чтобы опре­ делить изменение размеров твердого тела, в самом общем случае необходимо: рассчитать или определить каким-либо другим путем температурное поле 0 (х, у, z, т); рассчитать поле деформаций, вызванных расширением тела; рассчитать объемное напряженное состояние в теле, вызванное неравномерным расширением или

мощью современных ЭВМ. Однако на практике общая задача может быть в ряде случаев заменена несколькими простыми, позволяющими решить те или иные вопросы, интересующие произ­ водство. Во-первых, в конкретных условиях, особенно для более или менее массивных тел и невысокого уровня температур, термо­ упругие деформации оказываются намного меньшими, чем деформа­ ции, вызванные тепловым линейным формоизменением, причем настолько малыми, что их влиянием можно пренебречь. Во-вторых, часто вместо решения объемной (трехмерной) задачи можно огра­ ничиться решением плоской (двумерной), а иногда и одномерной. Рассмотрим, например, процесс поверхностного пластического деформирования заготовки индентором со сферической рабочей поверхностью (рис. 5.48). Пусть при некоторых условиях обра­ ботки температурное поле в инденторе описывается семейством изотермических поверхностей 0О, 01( 02, Положим, что термо­ упругие деформации, вызванные нагревом, пренебрежимо малы, а основное изменение формы рабочей части индентора происходит по законам линейного расширения. Если термоупругие напряже­ ния в рабочей части инструмента пренебрежимо малы, то и взаимо­ влияние термоупругих перемещений материала индентора в разных плоскостях должно быть неощутимым. Непосредственное влияние через изменение размеров инструмента на диаметр обработанной поверхности d оказывает распределение температур по оси 0Y

Следовательно, для решения интересующей нас задачи нет необхо­ димости описывать математически температурное поле во всем объеме рабочей части инструмента, а достаточно описать закон изменения температур 0 (у, т) вдоль его оси.

Предположим, что каким-либо из методов, изложенных в пре­ дыдущих главах учебника, получено распределение температур по оси индентора в виде формулы 0 Cs/, х) = 0К/ (у, т), где 0„ —

температура на контактной поверхности инструмента; т — время,

прошедшее с момента начала процесса ППД. Поскольку контакт­ ная температура 0К устанавливается очень быстро, ее можно полагать не зависящей от <о. Безразмерная функция / (у, т) характе­

ризует закон распределения температур по длине инструмента в момент времени <в. Удлинение элементарного участка индентора dy описывается выражением а*0 (у, <е) dy, где а* — коэффициент

линейного расширения, 1/°С (для простоты рассуждений положим, что вся рабочая часть инструмента изготовлена из одного мате­ риала). В момент времени к общее удлинение рабочей части инден­

описывающее соотношение между температурой 0 (у, <с) в любой

точке на оси стержня и температурой его торца 0„ (уа = 0). Обозначим Fo = т/Р и ф = yll. Тогда

рис. 5.49.

Поскольку <и= xlvlt где х — расстояние от торца заготовки;

Ох — скорость перемещения индентора в направлении подачи, то

Индентор, настроенный в начале прохода (х = 0) на размер d,

нагреваясь по мере перемещения вдоль оси заготовки, будет избы­ точно деформировать заготовку. В результате этого диаметр заготовки будет отличаться от наладочного на величину

Ad = ± 2а*0К// (Fo),

где «+» — относится к обработке отверстий, а «—» — к обработке валов. В связи с наличием погрешности Ad изделие по окончании ППД будет иметь форму, отличающуюся от цилиндра с прямоли­ нейной образующей.

Расчеты, аналогичные приведенному выше, позволяют прогно­ зировать термические погрешности размеров и формы изделий не только при ППД, но и при других видах обработки.

обратим внимание на то, что в обобщенной формуле (5.7) для расчета температур два сомножителя Лм и А0 зависят от раз­

меров контактной площадки. Первый из них возрастает с увеличе­ нием длины I площадки в направлении скорости перемещения

источника, а второй — по мере увеличения отношения т] между шириной источника Ь и 21. При этом по мере уменьшения I зна­ чения Лм снижаются линейно, а значения А0 (см. рис. 5.3) воз­

растают, но медленнее.

Теперь обратимся к процессу ППД. Пусть к индентору при­ ложена сила Р, он перемещается относительно заготовки со ско­ ростью Oj и подачей S (рис. 5.51, а). В зависимости от свойств материала заготовки и силы Р прижатия индентора на поверх­

ности заготовки возникает пятно контакта площадью F„. Конфи­ гурация этого пятна, в том числе и соотношение между длиной I и шириной Ь, зависит от формы рабочей поверхности индентора. Пятно должно быть несимметричным, поскольку размер I состоит

поверхности, в частности соотношение между длиной I в направ­ лении окружной скорости заготовки о и шириной 6, то, как выте­

кает из изложенных выше соображений, можно управлять тем­ пературой контакта.

Изменить соотношение между I и Ь при постоянстве силы Р, глубины деформируемого слоя t и площади FK можно, например,

индентора образуется при его заточке по двум цилиндрическим поверхностям различных радиусов Ri и Я2 (рис. 5.51, б), а сферо-

d

рис. 5.51, в. В последнем случае ось инструмента устанавливают

под углом р + р к обрабатываемой поверхности, где 0 — угол конуса рабочей части индентора.

Заметим, что преимуществом бицилиндрических и конических инденторов является не только снижение температуры контакта, но и возможность (при заданных Р, t, v и высоте шероховатостей

на обработанной поверхности) значительно повысить производи­ тельность процесса ППД увеличением подачи S.

Интересным примером комбинирования различных видов энер­ гии является поверхностная отделочно-упрочняющая обработка с лазерным нагревом [15 ]. На рис. 5.52 показана схема устройства, применяемого для этой цели. Материал заготовки деформируется роликом 1 из прозрачного для излучения теплостойкого материала, например из плавленого кварца. Луч 4 импульсного лазера 3

фокусируется телом ролика в пятно вытянутой формы шириной 6. Сила, необходимая для деформирования поверхности заготовки, создается пружиной 2, действующей через корпус устройства 5

иподшипники б на цапфы 7 ролика /.

Врезультате ППД с лазерным нагревом материала заготовки снижаются параметры шероховатости поверхности, растет микро­ твердость, в поверхностных слоях детали формируются благо­ приятные сжимающие напряжения. Регулируя энергию и длц.